[論文レビュー] Nuclear Physics from Lattice Quantum Chromodynamics

Martin J. Savage|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、核物理学における格子量子色力学（LQCD）の最新動向をレビューし、物理的軽クォーク質量および動的電磁力学（QED）を含む計算が今や可能であることを示している。今後のエクサスケールコンピューティングによって、不確かさが完全に定量化された第一原理的核性質予測が可能になり、QCDが核構造および反応に直接結びつくことが期待される。

ABSTRACT

Quantum Chromodynamics and Quantum Electrodynamics, both renormalizable quantum field theories with a small number of precisely constrained input parameters, dominate the dynamics of the quarks and gluons - the underlying building blocks of protons, neutrons, and nuclei. While the analytic techniques of quantum field theory have played a key role in understanding the dynamics of matter in high energy processes, they encounter difficulties when applied to low-energy nuclear structure and reactions, and dense systems. Expected increases in computational resources into the exascale during the next decade will provide the ability to determine a range of important strong interaction processes directly from QCD using the numerical technique of Lattice QCD. This will complement the nuclear physics experimental program, and in partnership with new thrusts in nuclear many-body theory, will enable unprecedented understanding and refinement of nuclear forces and, more generally, the visible matter in our universe. In this presentation, I will discuss the state-of-the-art Lattice QCD calculations of quantities of interest in nuclear physics, progress that is expected in the near future, and the anticipated impact.

研究の動機と目的

• 量子色力学（QCD）から物理的軽クォーク質量における核性質を計算する格子QCD（LQCD）の現在の進捗を要約すること。
• 第一原理的入力を提供することで、LQCDが核力の精緻化と実験的核物理学の指針化に果たす役割を強調すること。
• 予想されるエクサスケールコンピューティングの変革的影響を、多核子およびハイパーメソン状態を含む核系のLQCD計算に向け、予測すること。
• 動的QEDのLQCDへの組み込みが、現実的な核物理学予測への重要な一歩であることを示すこと。
• LQCD、核多体理論、実験プログラムの協働が、可視物質の理解を進める上で果たす役割を概説すること。

提案手法

• ユークリッド時空における有限格子上での離散時空におけるLQCD計算を実施し、QCD経路積分のモンテカルロサンプリングを用いる。
• 有効場理論（EFT）を用いて、有限体積・有限格子間隔の結果をQCDの無限体積・連続極限に補外する。
• 複数の格子体積、間隔、離散化スキームを用いて、物理量における系統的不確かさを定量化する。
• 動的フェルミオン（charmを含むn_f = 2+1+1まで）および動的QEDを実装し、物理的条件に近づける。
• 相関関数およびバリエーショナル法を用いて、ハドロンおよび少数体核系のエネルギー準位と行列要素を抽出する。
• 大規模なシミュレーションを可能にするために、ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）リソース、リーダーシップクラスのコンピューティング、およびSciDAC支援ソフトウェアを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的軽クォーク質量および動的QEDを含むLQCD計算が、核結合エネルギーおよび核子性質を正確に再現できるか。
• RQ2 LQCDの結果が、核子の集合としての核の安定性を含め、QCDから核構造がどのように出現するかをどの程度制約できるか。
• RQ3 LQCDが、実験でアクセス可能な範囲を超える非摂動的強い相互作用の観測量について、信頼性があり不確かさが定量化された予測をどのように提供できるか。
• RQ4 電磁力学および上クォーク・下クォーク質量の差異を含むアイソスピン破れ効果が、中性子-陽子質量差に果たす役割は何か。
• RQ5 エクサスケールコンピューティングによって、A=3およびA=4核のような複雑な核系が、制御された不確かさで計算可能になるか。

主な発見

• LQCD計算は、物理的軽クォーク質量および動的クォーク・QEDを含む段階にまで進歩しており、これは大きなマイルストーンである。
• BMW共同研究グループは、動的QEDおよびクォーク質量差を用いて中性子-陽子質量差を成功裏に計算し、自然界の値と良好に一致した結果を得た。
• 物理的クォーク質量におけるA=4結合エネルギーの計算から、核物質における結合エネルギーが約40 MeVであると示唆され、一次近似の相互作用と整合的である。
• LQCDは、ハドロンスピンの分類および核子構造において高精度な結果を生み出すことができるようになり、複数の格子体積および間隔を用いることで系統的不確かさの定量化が可能になった。
• LQCDに動的QEDを組み込むことで、陽子-中性子質量差のようなアイソスピン破れ効果の第一原理的解析が、高い精度で可能になった。
• 予想されるプレエクサスケールおよびエクサスケールコンピューティングの導入により、LQCDは核図表全域にわたり、完全に不確かさが定量化された第一原理的核力および観測量の予測を実現する準備が整った。